三江平原典型濕地和稻田ch

三江平原典型濕地和稻田ch

ch4和n3o是直接受人類活動影響的主要溫室氣體。在過去的幾十年里，這兩種氣體的濃度顯著增加，對世界變化的貢獻23%。他們在宇宙中僅次于b2o和b2o。隨著全球氣溫的不斷升高,溫室氣體排放正成為人們關(guān)注和研究的焦點。大氣中溫室氣體濃度的升高除了來自工業(yè)排放外,土地利用變化也是一個非常重要的因素。據(jù)估算,在過去的150a中,因土地利用變化造成的CO2排放約相當于同期化石燃料燃燒向大氣排放的CO2量,而且土地利用變化也是大氣CH4和N2O濃度增加的主要原因。濕地(Wetland)是地球上水陸相互作用而形成的獨特生態(tài)系統(tǒng),由于具有很高的生產(chǎn)率及氧化還原能力使其成為生物地球化學作用非?；钴S的場所,在碳氮的儲存方面起著極其重要的作用,是溫室氣體排放的一個重要的潛在源。三江平原是我國最大的低海拔淡水沼澤濕地分布區(qū),也是近50a來受人類活動影響最劇烈的區(qū)域之一。近年來,研究者對三江平原溫室氣體排放進行了大量的研究,但主要集中在沼澤濕地溫室氣體的排放以及影響溫室氣體排放的控制因子方面,沼澤濕地土地利用方式變化對溫室氣體排放影響的研究則并不多見,僅有的幾篇文獻報道也只是以土壤為研究對象,并未把植物包括在內(nèi)。本文以三江平原沼澤濕地及由其開墾而來的耕地為研究對象,探討沼澤濕地墾殖對CH4和N2O排放的影響。1材料和方法1.1農(nóng)田、旱田的布局及種植模式實驗點位于中國科學院三江平原沼澤濕地生態(tài)試驗站(以下簡稱三江站)(133°31′E,47°35′N)內(nèi),本站位于別拉洪河與濃江的河間地帶,海拔高度55～65m。本站所在地屬溫帶大陸性季風氣候,冬季嚴寒漫長,夏季溫暖濕潤,年平均氣溫1.9℃,年均降水量550～600mm左右。站內(nèi)微地貌復雜,由各種洼地、低平地和平地組成,分布有多種類型的草本沼澤和沼澤化草甸。本實驗選取三江平原最具典型和代表性的兩類濕地:長期積水的毛果苔草沼澤和季節(jié)性積水的小葉章草甸,并在濕地附近選取由沼澤濕地墾殖而來的水田和旱田各一塊,每種土地利用類型各設(shè)置3個重復。農(nóng)田的耕作管理措施(包括水肥及其它管理)按當?shù)氐某Ｒ?guī)方式進行。旱田種植方式為大豆-冬閑,大豆的品種為美國黑塔,2004年播種日期為5月18日,6月3日出苗,9月25日收割?；实氖┯昧繛槿隹筛?N∶P∶K=16∶12∶12)8kg/666.7m2,磷酸二銨10kg/666.7m2,在播種前作為基肥一次性施入。在大豆生長期間,沒有任何灌溉措施。水田的種植方式為水稻-冬閑,水稻的品種為117。2004年4月20日育苗,5月15日耕地泡田,5月25日耙地、施肥、移栽,10月15日水稻收割,水稻種植期間為淺水淹灌。化肥品種為撒可富,水稻生長期間共施兩次,一次在耕地時作為基肥施入,施肥量為10kg/666.7m2;一次在水稻分蘗時作為追肥施入,施肥量為15kg/666.7m2(6月28日施肥)。1.2氣體、溫度和壓力采樣本研究采用靜態(tài)暗箱法采集氣體。采樣箱由底座、頂箱和延長箱組成,3種箱體均由不銹鋼制成,外覆絕熱材料。底座的幾何尺寸為50cm×50cm×20cm,整個觀測期間都固定在采樣點上,延長箱和頂箱容積相同,長、寬、高均為50cm,根據(jù)作物的生長需要可適時安裝延長箱。底座和延長箱的上端均有深3cm、寬2cm的密封水槽,實驗時往槽里澆水以防止箱子和底座的接觸處漏氣,在冬季則用密封條來防止漏氣。頂箱上部有兩個軸流扇,用于混合箱內(nèi)氣體。箱子側(cè)面安裝有電源插頭和氣體樣品采集口?？巯浜罅⒓从?0ml注射器采集第一次樣品,之后每間隔10min采樣一次,罩箱時間為30min,一共采集4個氣體樣品。在采樣同時記下箱內(nèi)溫度和氣壓。樣品采集好后迅速帶回實驗室,用氣相色譜儀分析,分析方法詳見參考文獻。為了盡量減少采樣時對周圍環(huán)境的擾動和破壞,每個采樣點周圍都搭設(shè)木橋,在整個采樣過程中,實驗操作人員在木橋上完成。為了盡可能減少氣體排放本身的日變化對不同觀測點觀測結(jié)果的可比性的影響,采樣工作固定在9:00～11:00(地方時)之間完成。在植物的生長季內(nèi),每周觀測兩次,非生長季內(nèi),每月觀測1次。在春融期間每兩天觀測一次。1.3目標化合物的測量氣體的通量表示單位時間單位面積觀測箱內(nèi)該氣體質(zhì)量的變化,根據(jù)4個氣樣濃度隨采樣時間的變化速率計算,用公式表示為:F=MV0PP0T0THdcdtF=ΜV0ΡΡ0Τ0ΤΗdcdt對于特定的目標化合物,式中的M為其摩爾質(zhì)量,P0和T0為理想氣體標準狀態(tài)下的空氣壓力和氣溫,V0為目標化合物在標準狀態(tài)下的摩爾體積,H為正方體或長方體采樣箱內(nèi)氣室高度,P和T為采樣時箱內(nèi)的實際氣壓和氣溫,dc/dt為箱內(nèi)目標氣體濃度隨時間變化的回歸曲線斜率。本研究中視30min內(nèi)密閉觀測箱內(nèi)呈線性累積(p<0.05)的濃度計算的排放通量為有效排放通量觀測值,其它值視為無效數(shù)據(jù),只有有效數(shù)據(jù)方可進行氣體排放通量的計算,并通過線性內(nèi)插累加計算全年的CH4和N2O排放總量。2結(jié)果和討論2.1份、1月份氣溫特征2004年三江站日平均氣溫和降水量見圖1,全年日平均氣溫為2.3℃。7月份氣溫最高,為21.9℃,1月份氣溫最低,為-20.5℃。年降雨量為431.6mm,季節(jié)分配差異明顯,主要集中在春季和夏季,占全年總降雨量的69.4%;秋季降雨量最少,僅為50.7mm,占全年總降雨量的11.5%。2.2建筑碳源環(huán)境圖2為沼澤濕地和農(nóng)田CH4排放通量的季節(jié)變化,由圖2可以看出,沼澤濕地是大氣CH4的排放源,毛果苔草沼澤和小葉章草甸具有相同的季節(jié)變化趨勢。2004年CH4排放通量表現(xiàn)為單峰型,毛果苔草沼澤排放高峰期從6月底一直持續(xù)到8月中旬,最高值達到45.10mg·m-2·h-1,小葉章草甸出現(xiàn)在6月份,最大排放通量為20.69mg·m-2·h-1。冬季CH4排放通量較低,接近于零。CH4排放的季節(jié)變化模態(tài)是由溫度、春季融雪和夏季降雨共同決定的,春季隨著溫度的升高和冰雪的融化,CH4排放通量升高,隨著夏季降雨的來臨,溫度的持續(xù)上升,CH4排放通量持續(xù)增加一直到秋季溫度降低、植物死亡排放通量才迅速減弱,CH4排放通量呈單峰型模態(tài)。春季沼澤濕地CH4排放通量升高的原因主要有兩個:一是與土壤微生物活性和土壤溶液中活性C、N含量增加有關(guān)。冬季死亡微生物釋放的C、N可為融凍期存活的微生物提供重要的基質(zhì),凍融作用能夠促進有機碎屑物的分解和C、N的礦化,融凍期表層土壤(5～10cm)微生物的活性明顯增加,這些條件都有利用于CH4的產(chǎn)生;二是每年4月末,三江平原沼澤濕地表層土壤開始解凍,冬季產(chǎn)生的可能被“封存”在凍結(jié)土壤層中的CH4氣體也被釋放出來,同時隨著萌芽期的到來,多年生植物的根也開始復蘇,期間出現(xiàn)CH4高排放通量。許多基于北方沼澤濕地溫室氣體排放的研究指出,冬季溫室氣體排放對于其全年的凈收支具有重要作用,他們認為冬季雖然嚴寒,溫室氣體排放通量低,但由于冬季漫長,其所累積的溫室氣體排放量也不容忽視。本研究2004年冬季毛果苔草沼澤和小葉章草甸CH4累積排放量分別為32.12kg·hm-2和5.61kg·hm-2,占全年凈排放量的2.3%～4.6%。這個比例與已報道的其它地區(qū)濕地的低值比較接近,比如明尼蘇達沼澤冬季CH4排放量占全年排放量的4%～21%,新罕布什爾沼澤為2%～10%,西伯利亞沼澤為3.5%～11%。有研究認為冬季沼澤濕地CH4排放主要有兩個來源:(1)植物生長季內(nèi)由嗜溫微生物產(chǎn)生并儲存在土壤中的CH4;(2)由耐寒微生物在冬季土壤中產(chǎn)生的CH4。在漫長而嚴寒的冬季,凍土中還存在著有利于CH4產(chǎn)生的環(huán)境。Panikov和Dedysh研究發(fā)現(xiàn)在-16℃時,微生物仍有活性,土壤微生物的降解作用仍然存在。Stadler指出,即使在-5℃下凍土中還有8%～20%的土壤水沒有凍結(jié),在液體水中可能存在著有利于CH4產(chǎn)生的條件,一是由于外在冰層的阻隔,使土壤水處于厭氧環(huán)境;二是由于冰凍作用,土壤中可供微生物利用的C、N含量增加。在這兩個有利的條件下,土壤CH4濃度可能升高,并通過土壤凍結(jié)形成的裂縫排放出去。根據(jù)近3a來的定位監(jiān)測結(jié)果,三江平原冬季表層土壤溫度最低為-13℃左右,根層土壤(10～30cm)最低溫度為-4～-7℃,可以說明三江平原沼澤濕地冬季CH4排放至少部分是由土壤微生物作用產(chǎn)生的。毛果苔草沼澤CH4年平均排放通量為6.29mg·m-2·h-1,這與美國明尼蘇達州中北部區(qū)瑪塞實驗站(93°28′W,47°32′N)泥炭沼澤CH4排放通量接近;而小葉章草甸CH4年平均排放通量為2.27mg·m-2·h-1,與瑪塞實驗站泥炭蘚沼澤相同。毛果苔草沼澤CH4排放通量高于小葉章草甸(成對t檢驗,p=0.0004),這種差異主要是由積水環(huán)境造成的。大量研究表明,地貌和積水條件是造成同一地區(qū)不同類型濕地CH4排放差異的主要原因,從洼地的邊緣到中心,隨著地勢的逐漸降低和積水深度的逐漸增加,CH4排放通量也逐漸增大。毛果苔草沼澤地勢較低,處于洼地的中心,長期積水且積水較深,而小葉章草甸地勢較高,處于洼地的邊緣,積水時間短且積水較淺。2004年毛果苔草沼澤和小葉章草甸的積水時間分別為154d和53d,最大積水深度分別為40cm和10cm(圖3)。積水狀況決定了土壤厭氧環(huán)境的強弱從而影響了土壤中CH4的產(chǎn)生和氧化。稻田CH4排放通量具有明顯的季節(jié)變化,在一個生長周期內(nèi)呈現(xiàn)單峰型。稻田從播種或插秧后直至8月底,一直保持淹水狀態(tài)。在生長初期隨著氣溫的逐漸升高以及植物生理活動的逐漸增強,CH4排放通量也逐漸升高,到7、8月份出現(xiàn)排放峰值,該期間內(nèi),溫度最高,水稻處于揚花期,植物生理活動最為旺盛,各種因素綜合在一起導致了CH4排放高峰的出現(xiàn)。8月底水田開始排水,氣溫逐漸降低,CH4排放通量也隨之逐漸降低。大豆田有時吸收CH4,有時排放CH4,但通量值非常低,季節(jié)變化趨勢不明顯。這與黃國宏等在中國科學院沈陽生態(tài)站(41°32′N,123°23′E)對大豆田CH4排放通量的觀測結(jié)果是相似的。4種土地利用類型全年的CH4排放量,自然濕地具有最高CH4排放量,毛果苔草沼澤和小葉章草甸分別為550.95kg·hm-2·a-1和199.12kg·hm-2·a-1,濕地開墾為水田后CH4排放量降低,為94.82kg·hm-2·a-1,濕地開墾為旱田后則由CH4排放源轉(zhuǎn)變?yōu)檩^弱的CH4吸收匯,排放量為-1.37kg·hm-2·a-1。2.3地面土壤no的排放和土壤理化性質(zhì)及礦質(zhì)元素含量目前對沼澤濕地N2O排放的研究還比較少。因為土壤中N2O的產(chǎn)生過程非常復雜,又受諸多因素的影響和制約,因此其通量具有很強的時間變異性。如圖4所示,沼澤濕地N2O排放通量較低且排放特征比較復雜,毛果苔草沼澤在春季出現(xiàn)一個排放高峰,而小葉章草甸主要是由一系列脈沖釋放峰組成。沼澤濕地N2O排放主要表現(xiàn)為由土壤向大氣的排放,但在寒冷的冬季以及地表水位較高的淹水時期,也會出現(xiàn)N2O吸收的現(xiàn)象。冬季沼澤濕地N2O匯的作用也不容忽視,2004年冬季,毛果苔草沼澤和小葉章草甸累積N2O排放量分別為–0.40kg·hm-2和–0.54kg·hm-2,分別占生長季排放量的13.8%和13.7%。沼澤濕地冬季對N2O的吸收機制現(xiàn)在還不是很清楚,基于農(nóng)田和草原的研究表明,冬季土壤的冰凍作用會促進N2O的排放。他們認為冰凍期土壤中活性C、N含量增加,并且在未上凍的土壤水溶液中還存在著微生物活性,由于水外冰層的存在阻礙了氧氣的進入,而且水溶液中微生物的呼吸消耗了氧,為N2O的產(chǎn)生提供了厭氧環(huán)境。但在本研究中可能該厭氧環(huán)境過于強烈,以致N2O被徹底還原為N2。土壤中CH4的產(chǎn)生需要嚴格的厭氧環(huán)境,結(jié)合前文所分析的冬季CH4的排放特征,也支持了這個假設(shè)。小葉章草甸N2O排放通量高于毛果苔草沼澤(成對t檢驗,p=0.001),主要是由土壤濕度和土壤的理化性質(zhì)決定的。毛果苔草沼澤長期積水,土壤中的厭氧環(huán)境強烈,反硝化作用較強,容易把N2O進一步還原為N2。同時,由于土壤長時間處于厭氧狀態(tài),硝化作用很弱,NO-3基質(zhì)得不到補充,使反硝化作用速率最終也很低。因此,在淹水期間由于淹水條件創(chuàng)造了一個嚴格的厭氧環(huán)境限制了N2O的形成和排放,所以檢測不到明顯的N2O排放,有時甚至表現(xiàn)為吸收N2O。小葉章草甸地勢較高,表現(xiàn)為雨季時地表積水,而旱季時地表積水消失但土壤保持濕潤狀態(tài),這種干濕交替有利于N2O的產(chǎn)生和排放,因為此時土壤濕度適中,導致了同時適宜硝化和反硝化過程的O2供應狀況,因而引起顯著的N2O排放。另外,土壤的物化性質(zhì)也是影響N2O排放的重要參數(shù),Oleg和Bernd通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn),不同森林樹種下土壤的化學性質(zhì)以及生物性質(zhì)也不同,由此導致不同土壤的N2O排放模式各異。實驗結(jié)果表明,培養(yǎng)期間土壤N2O排放量與C:N比呈顯著負相關(guān),并且與DOC(可溶性有機碳)和C含量均呈負相關(guān),通過逐步回歸分析也表明,在眾多土壤參數(shù)中,只有C:N比這一參數(shù)被列入方程中,可以解釋不同土壤間N2O排放差異的87%。黃耀等通過土壤培養(yǎng)試驗以及Teepe等通過野外觀測實驗均表明土壤N2O排放與SOC(土壤有機碳)含量呈負相關(guān),而且黃耀等的研究還表明土壤N2O排放與土壤TN(全氮)以及C:N均呈負相關(guān)。Stevenson概括植物殘體的C∶N和礦質(zhì)N釋放的關(guān)系為:C∶N<20,凈釋放礦質(zhì)N;C∶N比為25～30,不吸收也不釋放;C∶N>30,微生物凈吸收NH+4和NO-3。NH+4和NO-3作為N2O產(chǎn)生的前體物質(zhì),由于微生物的吸收必然會導致N2O的產(chǎn)生與排放減少。在土壤C∶N<20的情況下,C∶N越低,N2O的排放越高;C∶N越接近20,N2O的排放越低。土壤N2O主要產(chǎn)生于表層和亞表層,毛果苔草沼澤表層和亞表層SOC、C∶N、DOC、TN的含量均高于小葉章草甸(見表1)。水田N2O排放的季節(jié)變化趨勢不明顯(圖4)。雖然都處于東北地區(qū),但我們在水稻生長季內(nèi)沒有觀測到陳冠雄等報道的N2O吸收現(xiàn)象,在整個生長季內(nèi),N2O均表現(xiàn)為比較低的由土壤向大氣的排放。旱田則具有明顯的N2O排放通量季節(jié)變化,排放高峰出現(xiàn)在春季播種后(圖4),這種季節(jié)變化模態(tài)主要是由土壤濕度決定,其次還受施肥方式以及植株的影響。旱作農(nóng)田N2O產(chǎn)生途徑主要取決于水分的控制和調(diào)節(jié),而降水事件是影響旱田土壤水分狀況變化的主要因素,許多研究者均觀測到旱田N2O排放與降雨的關(guān)系,普遍認為降雨能夠促進土壤N2O的產(chǎn)生和排放,本研究發(fā)現(xiàn)旱田N2O排放通量與降雨量呈極顯著線性正相關(guān)[N2O排放通量(μg·m-2·h-1)=21.23×平均日降水量(mm·d-1)+24.89,r2=0.42**],2004年5月份降雨量最大,而且此時農(nóng)田剛剛施加了N肥,土壤濕度的升高刺激了土壤中無機N對N2O的轉(zhuǎn)化,由此導致了N2O排放通量的升高。盡管2004年7月份也出現(xiàn)了較大的降雨,但卻沒有引起N2O排放通量的大幅度升高,這可能是與當?shù)氐氖┓史绞接嘘P(guān),無機氮肥作為基肥在大豆播種時一次性施入,然后在大豆生長期間不再施加,而且7月份正是植株生長旺盛時期,植物對N素的吸收減少了土壤中N的含量從而抑制了N2O的排放。從四種土地利用類型全年N2O排放量來看,毛果苔草沼澤和小葉章草甸N2O排放量分別為1.80kg·hm-2·a-1和4.07kg·hm-2·a-1,開墾為水田后N2O排放為2.09kg·hm-2·a-1,開墾為旱田后N2O排放增加,為4.90kg·hm-2·a-1。2.4江平原沼澤、農(nóng)田、旱田濕地ch4和no的排放量在三江平原對沼澤濕地及農(nóng)田溫室氣體排放進行了兩年半的野外觀測(2002.7～2004.12)1。其中,沼澤濕地具有兩年的連續(xù)的觀測資料(2003年和2004年),但農(nóng)田由于缺失2002年和2003年冬季的觀測資料,所以只有2004年的觀測結(jié)果是連續(xù)完整的。2003年和2004年毛果苔草沼澤CH4排放量分別為347.65kg·hm-2·a-1和550.95kg·hm-2·a-1;小葉章草甸分別為220.52kg·hm-2·a-1和199.12kg·hm-2·a-1;2003和2004年毛果苔草沼澤N2O排放量分別為0.81和1.80kg·hm-2·a-1,小葉章草甸分別為1.05和4.07kg·hm-2·a-1。用毛果苔草沼澤和小葉章草甸的兩年平均排放量來表示三江平原沼澤濕地CH4和N2O的排放量,農(nóng)田CH4和N2O的排放量用2004年的觀測結(jié)果表示,則三江平原沼澤濕地、水田、旱田的CH4排放量分別為329.56、94.82kg·hm-2·a-1和-1.37kg·hm-2·a-1;沼澤濕地、水田、旱田的N2O排放量分別為1.93、2.09kg·hm-2·a-1和4.90kg·hm-2·a-1。沼澤濕地墾殖為農(nóng)田后導致CH4排放通量降低,而N2O排放通量升高,與AbdulHadi等在熱帶泥炭地的研究結(jié)果相似。根據(jù)IPCC報告提供的數(shù)據(jù),在20a時間尺度上,單位質(zhì)量CH4和N2O的GWP(GlobalWarmingPotential)分別為CO2的62倍和275倍;100a時間尺度上,分別對應為CO2的23倍和296倍;500a時間尺度上,分別為CO2的7倍和156倍。若以CO21kg·hm-2的GWP為1,則可求得沼澤濕地、水田和旱田所排放的CH4和N2O的綜合GWP(表2)。通過表2可以看出,在只考慮CH4和N2O兩種溫室氣體排放的綜合GWP下,不論時間長短,水田和旱田的綜合GWP都比沼澤濕地要低很多。在20a到500a的時間尺度上,水田綜合GWP為沼澤濕地的30.8%～37.9%,旱田綜合GWP僅為沼澤濕地的6.0%～28.7%。2.5農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的變化因為本研究應用靜態(tài)暗箱采集氣體,故無法直接觀測沼澤及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)NEE。根據(jù)張麗華等2004年在三江平原小葉章草甸進行的NEE觀測表明,在植物生長季(4～10月份)小葉章草甸NEE為-3.35t·hm-2。在植物的非生長季(1～3月份和11～12月份),因為此時地上植物已經(jīng)枯萎死亡,不能再利用光合作用固定吸收大氣中的碳,只能通過呼吸作用向大氣排放碳,暗箱觀測表明,此階段內(nèi)小葉章草甸通過呼吸作用向大氣排放的碳量為0.27t·hm-2。因此,2004年小葉章草甸NEE為-3.08t·hm-2,表現(xiàn)為吸收固定大氣中的碳,呈現(xiàn)為碳匯的功能。農(nóng)田(包括水田和旱田)利用經(jīng)驗公式NEE=RH-NPP計算獲得生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的凈碳交換量,其中RH為土壤異養(yǎng)呼吸速率,NPP為凈初級生產(chǎn)力。研究表